DE10150557A1

DE10150557A1 - Druckelektrolyseur und Verfahren zum Betrieb eines solchen

Info

Publication number: DE10150557A1
Application number: DE10150557A
Authority: DE
Inventors: Hans Hofmann; Marko Raemisch; Rolf August Brand; Erasmo Pietro D
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Hydrogen Technologies AS
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: EP1436447B1; CA2462146A1; EP1436447A2; US7314539B2; DE10150557C2; WO2003033768A2; BR0213274A; ZA200401864B; ES2233870T3; HUP0401449A2; RU2258099C1; US20050077174A1; PL370300A1; WO2003033768A3; RU2004114858A; DE50201972D1; JP2005505698A; ATE286545T1; CN1620524A; CN100350076C

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckelektrolyseur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen.
Zur elektrolytischen Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind Druckelektrolyseure bekannt, die einen Druckbehälter und einen eine Anzahl von in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen enthaltenden, in dem Druckbehälter angeordneten Elektrolysezellenblock umfassen. Die Elektrolysezellen enthalten jeweilige Anoden und Kathoden und es ist ein Laugenkreislaufsystem zur Zuführung eines Anolyten zu den Anoden und zur Zuführung eines Katholyten zu den Kathoden vorgesehen und der Elektrolysezellenblock umfasst ein gegen das Innere des Druckbehälters abgedichtetes Gehäuse.
Ein solcher Druckelektrolyseur ist aus der DE 25 48 699 C3 bekannt. Bei diesem bekannten Druckelektrolyseur sind zusätzlich zu dem Elektrolysezellenblock auch Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten in dem Druckbehälter angeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen verbesserten Druckelektrolyseur zu schaffen. Weiterhin soll ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines solchen Druckelektrolyseurs angegeben werden.
Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe durch den im Anspruch 1 angegebenen Druckelektrolyseur gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs sind in den Unteransprüchen angegeben.
Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe durch das im Anspruch 33 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Druckelektrolyseur mit einem Druckbehälter und einem eine Anzahl von in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen enthaltenden, in dem Druckbehälter angeordneten Elektrolysezellenblock geschaffen. Die Elektrolysezellen enthalten jeweilige Anoden und Kathoden und es ist ein Laugenkreislaufsystem zur Zuführung eines Anolyten zu den Anöden und zur Zuführung eines Katholyten zu den Kathoden vorgesehen. Der Elektrolysezellenblock umfasst ein gegen das Innere des Druckbehälters abgedichtetes Gehäuse. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Gehäuse des Elektrolysezellenblocks zusammen mit dem Druckbehälter mindestens zwei voneinander getrennte Räume bildet, welche Bestandteil des Laugenkreislaufsystems sind und die durch das Gehäuse gegen die Elektrolysezellen und durch den Druckbehälter gegen die Umgebung begrenzt sind. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs ist der einfache Aufbau des Laugenkreislaufsystems. Ein anderer Vorteil ist der geringe Platzbedarf den der erfindungsgemäße Druckelektrolyseur erfordert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs ist einer der voneinander getrennten Räume Bestandteil eines Anolytkreislaufs und der andere der voneinander getrennten Räume ist Bestandteil eines Katholytkreislaufs. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass durch eine Trennung von Anolyt- und Katholytkreislauf bessere Gasreinheiten und damit ein größerer Lastregelbereich erzielbar sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs ist es vorgesehen, dass die voneinander getrennten Räume durch Trennwände voneinander getrennt sind, die sich zwischen dem Gehäuse und dem Druckbehälter erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Druckbehälter die Form eines Zylinders und der Elektrolysezellenblock ist mit seiner Längsachse parallel zur Achse des Zylinders in dem Druckbehälter angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs erstrecken sich die Trennwände parallel zur Achse des Zylinders zwischen dem Gehäuse und dem Druckbehälter.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs ist das Gehäuse des Elektrolysezellenblocks durch eine Anzahl von aufeinandergestapelten Zellrahmen der Elektrolysezellen gebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, dass jeweils jede Anode einen eigenen Anodenzellrahmen und jeweils jede Kathode einen eigenen Kathodenzellrahmen hat, und dass die Anodenzellrahmen eine Verbindung der Anoden mit dem Raum, der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, herstellende Durchgänge aufweisen und die Kathodenzellrahmen eine Verbindung der Kathoden mit dem Raum, der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, herstellende Durchgänge aufweisen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Elektrolysezellenblock mit seiner Längsrichtung im wesentlichen horizontal angeordnet ist, und dass der durch das Gehäuse des Elektrolysezellenblocks und den Druckbehälter begrenzte Raum vertikal in Längsrichtung des Elektrolysezellenblocks in die beiden voneinander getrennten Räume unterteilt ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der beiden letztgenannten Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass die eine Verbindung mit den Anoden herstellenden Durchgänge jeweils an der Oberseite und an der Unterseite der Anodenzellrahmen mit dem einen der voneinander getrennten Räume, der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, in Verbindung stehen, und dass die eine Verbindung mit dem Kathoden herstellenden Durchgänge jeweils an der Oberseite und an der Unterseite der Kathodenzellrahmen mit dem anderen der voneinander getrennten Räume, der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, in Verbindung stehen. Der Vorteil hiervon ist es, dass der Laugekreislauf selbsttätig durch einen Gaslifteffekt der in den Zellen aufsteigenden Gase und die geringere Dichte des Lauge/Gas-Gemischs in den Zellen gegenüber den entgasten Laugesäulen außerhalb der Zellen ohne eine zusätzliche Laugekreislaufpumpe erfolgen kann. In den beiden voneinander getrennten Räumen sammeln sich an deren Oberseite die Produktgase Sauerstoff bzw. Wasserstoff.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs sind innerhalb des Druckbehälters wesentliche Bestandteile des Laugenkreislaufsystems, insbesondere Gasabscheider und/oder Laugenkühler vorgesehen. Der Vorteil hiervon ist ein besonders platzsparender, kompakter Aufbau des Druckelektrolyseurs.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der Trennwände unterhalb des Elektrolysezellenblocks angeordnet und bildet gleichzeitig ein mechanisches Auflager für denselben.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs sieht es vor, dass die Anoden und Kathoden von einem entlang ihrem Umfang verlaufenden Dichtungselement umgeben sind, welches im Bereich der Anode bzw. der Kathode einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle bildet und zwischen die Zellrahmen abdichtend eingefügt ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, dass die Anode und die Kathode einer Elektrolysezelle jeweils getrennt in einem Dichtungselement umgeben sind.
Vorzugsweise sind die Dichtungselemente von Anode und Kathode gemeinsam zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellrahmen abdichtend eingefügt.
Vorzugsweise bilden die Dichtungselemente auch einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle an einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Diaphragma.
Vorzugsweise ist das Diaphragma zwischen dem Dichtungselement der Anode und dem Dichtungselement der Kathode abdichtend eingefügt.
Vorzugsweise sind die Dichtungselemente am Umfang der Anode und/oder der Kathode rahmenförmig verlaufend angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Dichtungselemente um den Rand von Anode und/oder Kathode von der Vorderseite zur Rückseite derselben herumgeführt ausgebildet sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform hiervon sind die Dichtungselemente mit einer oder mehreren entlang dem Umfang von Anode bzw. Kathode verlaufenden Dichtungslippen versehen, welche an einer Dichtungsfläche des Anodenzellrahmens bzw. des Kathodenzellrahmens abdichtend anliegen.
Vorzugsweise ist es hierbei vorgesehen, dass die Dichtungslippen in einer Richtung senkrecht zur Fläche von Anode bzw. Kathode vorspringen, und dass die Dichtungsflächen des Anodenzellrahmens bzw. des Kathodenzellrahmens parallel zur Fläche von Anode bzw. Kathode verlaufend ausgebildet sind.
Die Dichtungselemente sind vorzugsweise aus einem elastomeren Material hergestellt.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Dichtungselemente durch Umspritzen des Randes von Anode bzw. Kathode mit dem elastomeren Material hergestellt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs sind zwei benachbarte Elektrolysezellen durch ein Bipolarblech voneinander getrennt, welches von einem entlang seinem Umfang verlaufenden Dichtungselement umgeben ist, das im Bereich des Bipolarblechs einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle bildet und zwischen die Zellrahmen der benachbarten Elektrolysezellen abdichtend eingefügt ist.
Vorzugsweise ist das Dichtungselement am Umfang des Bipolarblechs rahmenförmig verlaufend angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement an einer Seite des Bipolarblechs angeordnet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Dichtungselement um den Rand des Bipolarblechs von der Vorderseite zur Rückseite desselben herumgeführt ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Dichtungselement mit einer oder mehreren entlang dem Umfang des Bipolarblechs verlaufenden Dichtungslippen versehen, welche an einer Dichtungsfläche des Anodenzellrahmens bzw. des Kathodenzellrahmens oder an dem Bipolarblech selbst abdichtend anliegen.
Eine bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, dass die Dichtungslippen in einer Richtung senkrecht zur Fläche des Bipolarblechs vorspringen, und dass die Dichtungsfläche des Anodenzellrahmens bzw. des Kathodenzellrahmens parallel zur Fläche des Bipolarblechs verlaufend ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist das Dichtungselement aus einem elastomeren Material hergestellt.
Das Dichtungselement kann durch Umspritzen des Randes des Bipolarblechs mit dem elastomeren Material hergestellt sein.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckelektrolyseurs ist ein Wasservorratsbehälter vorgesehen, der über eine ein Speisewasserfüllventil enthaltende Speisewasserfüllleitung mit einer Speisewasserquelle und über eine ein Speisewasserzulaufventil enthaltende Speisewasserzulaufleitung mit einem unteren Bereich eines der getrennten Räume verbunden ist und der über eine ein Bedrückungsventil enthaltende Bedrückungsleitung mit einem oberen Bereich des einen der getrennten Räume verbunden ist, und der weiterhin über eine ein Belüftungsventil enthaltende Belüftungsleitung gegen die Umgebung entlüftbar ist, wobei der obere Bereich des einen der getrennten Räume beim Betrieb des Druckelektrolyseurs mit einem der Produktgase gefüllt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon ist es vorgesehen, dass der eine der getrennten Räume, mit dem der Wasservorratsbehälter über die Speisewasserzulaufleitung und über die Bedrückungsleitung verbunden ist, der einen Bestandteil des Elektrolytkreislauf bildende andere getrennte Raum ist.
Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Befüllen eines Druckelektrolyseurs der beiden letztgenannten Ausführungsformen mit den folgenden Verfahrensschritten:

a) Druckloses Befüllen des Wasservorratsbehälters bei geöffnetem Belüftungsventil und geschlossenem Bedrückungsventil und geschlossenem Speisewasserzulaufventil über die Speisewasserfüllleitung mit geöffnetem Speisewasserfüllventil,
b) Schließen des Belüftungsventils und des Speisewasserfüllventils,
c) Öffnen des Bedrückungsventils, um den Wasservorratsbehälter über die Bedrückungsleitung auf den im Druckbehälter herrschenden Druck zu bringen,
d) Öffnen des Speisewasserzulaufventils, um Speisewasser aus dem Vorratsbehälter in den Druckbehälter zu dosieren,
e) Schließen des Speisewasserzulaufventils.

Vorzugsweise erfolgt das Zudosieren des Speisewassers aus dem Vorratsbehälter in den Druckbehälter unter Schwerkraftwirkung, wobei der Wasservorratsbehälter räumlich oberhalb des Druckbehälters angeordnet ist.
Alternativ hierzu kann das Zudosieren des Speisewassers aus dem Wasservorratsbehälter in den Druckbehälter aber auch mittels einer in der Speisewasserzulaufleitung enthaltenen Speisewasserpumpe erfolgen, die dann vorteilhafterweise eine geringe Leistung haben kann.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte geschnittene Draufsicht auf einen Druckelektrolyseur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2a) eine geschnittene seitliche Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Druckelektrolyseurs zur Darstellung des Anolytkreislaufs;
Fig. 2b) eine Schnittansicht entsprechend Fig. 2a) zur Darstellung des Katholytkreislaufs;
Fig. 3 eine geschnittene Draufsicht auf einen Teil des Elektrolysezellenblocks zur Erläuterung der wichtigsten Bestandteile der Elektrolysezellen;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht des mit Z bezeichneten Details aus Fig. 1 zur Erläuterung der Strömungsführung im Anolytkreislauf und Katholytkreislauf;
Fig. 5a) bis c) Detaildarstellungen in unterschiedlichen Maßstabsverhältnissen zur Erläuterung der Abdichtung der Elektrolysezellen am Gehäuse des Elektrolysezellenblocks; und
Fig. 6 eine schematisierte Blockdarstellung, welche zusätzliche Komponenten zum Füllen des Druckelektrolyseurs mit Speisewasser umfasst.
In Fig. 1 umfasst ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneter Druckelektrolyseur einen Druckbehälter 2, in welchem ein Elektrolysezellenblock 3 angeordnet ist, der aus einer Anzahl von in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen 4 besteht.
Wie Fig. 3 näher zeigt, in welcher zwei Elektrolysezellen 4 mit ihren wesentlichen Bestandteilen dargestellt ist, umfasst eine Elektrolysezelle 4 eine Anode 11 und eine Kathode 12, welche durch ein dazwischen angeordnetes Diaphragma 13 voneinander getrennt sind. Zwischen zwei benachbarten Elektrolysezellen 4 befindet sich ein Bipolarblech 14, durch welches der anodenseitige Zellraum der einen Elektrolysezelle 4 vom kathodenseitigen Zellraum der benachbarten Elektrolysezelle 4 getrennt, dabei gleichzeitig aber miteinander elektrisch in Kontakt gehalten sind.
Wiederum bezugnehmend auf Fig. 1 ist zu sehen, dass zwischen einem lediglich angedeuteten Gehäuse 5 des Elektrolysezellenblocks 3 und dem Druckbehälter 2 zwei Räume 7, 8 gebildet sind, welche durch Trennwände 9, 10 voneinander getrennt sind, die sich zwischen dem Gehäuse 5 und dem Druckbehälter 2 erstrecken. Die beiden voneinander getrennten Räume 7, 8 sind Bestandteil eines Laugenkreislaufsystems des Druckelektrolyseurs, wobei einer der voneinander getrennten Räume 7 Bestandteil eines Anolytkreislaufs ist und der andere der voneinander getrennten Räume 8 Bestandteil eines Katholytkreislaufs ist. Wie durch jeweilige Pfeile in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, werden als Reaktionsprodukte des in dem Druckelektrolyseur ablaufenden elektrolytischen Prozesses aus dem Anolytkreislauf in dem getrennten Raum 7 Sauerstoff und aus dem Katholytkreislauf in dem getrennten Kreislauf 8 Wasserstoff gesammelt und abgezogen und jeweils durch eine entsprechende Menge Frischwasser ersetzt.
Wie in Fig. 1 weiterhin schematisch gezeigt ist, sind in den getrennten Räumen 7, 8 innerhalb des Druckbehälters 2 weiterhin wesentliche Bestandteile des Laugenkreislaufsystems angeordnet, etwa in Form von Laugenkühlern 19, 20. Der Druckbehälter 2 hat die Form eines Zylinders, in welchem der Elektrolysezellenblock 3 mit seiner Längsachse parallel zur Zylinderachse angeordnet ist. Die Trennwände 9, 10 erstrecken sich parallel zur Achse des Zylinders zwischen dem Gehäuse 5 des Elektrolysezellenblocks 3 und dem Druckbehälter 2.
Wie aus dem in Fig. 4 vergrößert dargestellten Detail Z von Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 zu sehen ist, ist das Gehäuse 5 des Elektrolysezellenblocks 3 durch eine Anzahl von aufeinandergestapelten Zellrahmen 15, 16 der Elektrolysezellen 4 gebildet. Dabei ist jeweils jeder Anode 11 benachbart ein eigener Anodenzellrahmen 15 und jeweils jeder Kathode 12 benachbart ein eigener Kathodenzellrahmen 16 vorgesehen.
Wie die Fig. 2a) und b) zeigen, in denen der in Fig. 1 gezeigte Druckelektrolyseur 1 jeweils in einer vertikalen Schnittansicht dargestellt ist, sind in den Anodenzellrahmen 15 Durchgänge 17a, b vorgesehen, welche eine Verbindung der Anodenseite mit dem Raum 7, der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, herstellen, vergleiche Fig. 2a), und die Kathodenzellrahmen 16 weisen Durchgänge 18a, b auf, die eine Verbindung der Kathodenseite mit dem Raum 8, der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, herstellen.
Wie aus den Fig. 2a) und b) weiterhin ersichtlich ist, ist der durch das Gehäuse 5 des mit seiner Längsrichtung horizontal angeordneten Elektrolysezellenblocks 3 und den Druckbehälter 2 begrenzte Raum vertikal und in Längsrichtung des Elektrolysezellenblocks 3 in die beiden voneinander getrennten Räume 7, 8 unterteilt. Die Durchgänge 17a, b, die eine Verbindung der Anoden 11 mit dem Anolytkreislauf herstellen, stehen jeweils an der Oberseite bzw. an der Unterseite der Anodenzellrahmen 15 mit dem einen der voneinander getrennten Räume 7, der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, in Verbindung, und die Durchgänge 18a, b, die eine Verbindung der Kathodenseite mit dem Katholytkreislauf herstellen, stehen jeweils an der Oberseite bzw. an der Unterseite der Kathodenzellrahmen 16 mit dem anderen der voneinander getrennten Räume 8, der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, in Verbindung. Der Raum im Druckbehälter 2 oberhalb des Elektrolysezellenblocks 3, der durch die Trennwand 9 mittig geteilt ist, dient auf der linken Seite der Trennwand 9, Raum 7, der Sauerstoffabtrennung und auf der rechten Seite der Trennwand 9, Raum 8, der Wasserstoffabtrennung. Der Laugekreislauf auf beiden Seiten, also in dem Anolytkreislauf durch den Raum 7 und im Katholytkreislauf durch den Raum 8 erfolgt jeweils selbsttätig durch einen Gaslifteffekt auf Grund der in den Elektrolysezellen 4 aufsteigenden Gase und auf Grund der geringeren Dichte des Laugegasgemisch in den Zellen gegenüber den entgasten Laugesäulen außerhalb in den getrennten Räumen 7, 8. Eine der Trennwände 10 ist unterhalb des Elektrolysezellenblocks 3 angeordnet und bildet gleichzeitig ein mechanisches Auflager für denselben.
Wie die Fig. 5a) bis c) in Darstellungen unterschiedlichen Maßstabs zeigen, sind die Anoden 11, die jeweils durch eine Anodenelektrode 11a kontaktiert werden, und die Kathoden 12, die jeweils durch eine Kathodenelektrode 12a kontaktiert werden, jeweils von einem entlang ihrem Umfang verlaufenden Dichtungselement 21, 22 umgeben, welches im Bereich der Anode 11 bzw. der Kathode 12 einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle 4 bildet. Die Dichtungselemente 21, 22 sind zwischen die Zellrahmen 15, 16 einer Elektrolysezelle 4, d. h. zwischen den Anodenzellrahmen 15 und den Kathodenzellrahmen 16 abdichtend eingefügt.
Die Anode 11 und die Kathode 12 einer Elektrolysezelle 4 verfügt jeweils über ein eigenes getrenntes Dichtungselement 21 bzw. 22, und diese Dichtungselemente 21, 22 sind gemeinsam zwischen den besagten Zellrahmen 15, 16 einer Zelle 4 abdichtend eingefügt, wobei zwischen die Dichtungselemente 21, 22 das die Anode 11 und die Kathode 12 einer Elektrolysezelle 4 voneinander trennende Diaphragma 13 abdichtend eingefügt ist. Dadurch bilden die Dichtungselemente 21, 22 auch einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle 4 an dem Diaphragma 13. Die Dichtungselemente 21, 22 sind in Form von Rahmen am Umfang der Anode 11 bzw. der Kathode 12 verlaufend vorgesehen.
Wie die vergrößerte Darstellung in Fig. 5c) zeigt, sind die Dichtungselemente 21, 22 um den Rand der Anode 11 bzw. der Kathode 12 von der Vorderseite zur Rückseite derselben herumgeführt ausgebildet.
Wie die Fig. 5b) und c) zeigen, sind die Dichtungselemente 21, 22 mit mehreren entlang bzw. parallel dem Umfang der Anode 11 bzw. der Kathode 12 verlaufenden Dichtungslippen 41, 42 versehen, welche in einer Richtung senkrecht zur Fläche von Anode 11 bzw. Kathode 12 vorspringen und an einer Dichtungsfläche 45 des Anodenzellrahmens 15 bzw. einer Dichtungsfläche 46 des Kathodenzellrahmens 16 abdichtend anliegen, wobei diese Dichtungsflächen 45, 46 parallel zur Fläche von Anode 11 bzw. Kathode 12 verlaufend ausgebildet sind.
Die Dichtungselemente 21, 22 sind aus einem elastomeren Material hergestellt und durch Umspritzen des Randes der Anode 11 bzw. der Kathode 12 gebildet.
Wie die Fig. 5a) bis c) weiterhin zeigen, ist auch das zwei benachbarte Elektrolysezellen 4 voneinander trennende Bipolarblech 14 zwischen die Zellrahmen 15, 16 zweier benachbarter Elektrolysezellen 4 abdichtend eingefügt, d. h. zwischen den Anodenzellrahmen 15 der einen Elektrolysezelle 4 und den Kathodenzellrahmen 16 der benachbarten Elektrolysezelle 4.
Das Bipolarblech 14 ist von einem rahmenförmig entlang seinem Umfang verlaufenden Dichtungselement 24 umgeben, das im Bereich des Bipolarblechs 14 einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle 4 bildet und abdichtend zwischen die Zellrahmen 15, 16 der benachbarten Elektrolysezellen 4 eingefügt ist.
Wie die vergrößerte Darstellung in Fig. 5c) zeigt, ist das Dichtungselement 24 an einer Seite des Bipolarblechs 14 angeordnet und ist mit mehreren entlang bzw. parallel dem Umfang des Bipolarblechs 14 verlaufenden Dichtungslippen 44 versehen, welche an dem Bipolarblech 14 selbst abdichtend anliegen. Die Dichtungslippen 44 springen in einer Richtung senkrecht zur Fläche des Bipolarblechs 14 vor. Die Zellrahmen 15, 16, zwischen denen das Bipolarblech 14 zusammen mit seinem Dichtungselement 24 abdichtend eingefügt ist, verfügen über jeweilige Dichtungsflächen 47, 48, die parallel zur Fläche des Bipolarblechs 14 verlaufend ausgebildet sind und an denen das Dichtungselement 24 bzw. das Bipolarblech 14 abdichtend anliegen. Das Dichtungselement 24 ist aus einem elastomeren Material hergestellt.
Nunmehr übergehend zu Fig. 6 soll eine vorteilhafte Anordnung zum Befüllen des Druckelektrolyseurs 1 mit Speisewasser und ein entsprechendes Verfahren beschrieben werden. Es ist ein Wasservorratsbehälter 31 vorgesehen, der über eine ein Speisewasserfüllventil 33 enthaltende Speisewasserfüllleitung 32 mit einer Speisewasserquelle und über eine ein Speisewasserzulaufventil 35 enthaltende Speisewasserzulaufleitung 34 mit einem unteren Bereich des getrennten Raumes 8 verbunden und weiterhin über eine ein Bedrückungsventil 37 enthaltende Bedrückungsleitung 36 mit einem oberen Bereich des getrennten Raumes 8 verbunden ist. Weiterhin ist der Wasservorratsbehälter 31 über eine ein Belüftungsventil 39 enthaltende Belüftungsleitung 38 gegen die Umgebung entlüftbar. Der obere Bereich des getrennten Raumes 8, mit dem die Bedrückungsleitung 36 verbunden ist, ist beim Betrieb des Druckelektrolyseurs 1 mit unter Druck stehendem Wasserstoff als Produktgas gefüllt. Das Verfahren zum Befüllen des Druckelektrolyseurs 1 umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

a) Zunächst erfolgt ein druckloses Befüllen des Wasservorratsbehälters 31 bei geöffnetem Belüftungsventil 39 und geschlossenem Bedrückungsventil 37 und geschlossenem Speisewasserzulaufventil 35 über die Speisewasserfüllleitung 32 mit geöffnetem Speisewasserfüllventil 33.
b) Dann werden das Belüftungsventil 39 und das Speisewasserfüllventil 33 geschlossen.
c) Sodann erfolgt ein Öffnen des Bedrückungsventils 37, um den Wasservorratsbehälter 31 über die Bedrückungsleitung 36 auf den im Druckbehälter 2 herrschenden Druck zu bringen.
d) Schließlich wird das Speisewasserzulaufventil 35 geöffnet, um Speisewasser aus den Wasservorratsbehälter 31 in den Druckbehälter 2 zu dosieren.
e) Mit dem Schließen des Speisewasserzulaufventils 35 ist der Füllvorgang dann abgeschlossen.

Das Zudosieren des Speisewassers aus dem Wasservorratsbehälter 31 in den Druckbehälter 2 kann unter Schwerkraftwirkung erfolgen, wobei der Wasservorratsbehälter 31 räumlich oberhalb des Druckbehälters 2 angeordnet ist. Alternativ kann das Zudosieren des Speisewassers aus dem Wasservorratsbehälter 31 in den Druckbehälter 2 aber auch mittels einer in der Speisewasserzulaufleitung 34 enthaltenen Speisewasserpumpe erfolgen. Bezugszeichenliste 1 Druckelektrolyseur
2 Druckbehälter
3 Elektrolysezellenblock
4 Elektrolysezellen
5 Gehäuse
7 Raum für Anolytkreislauf
8 Raum für Katholytkreislauf
9 Trennwand
10 Trennwand
11 Anode
11a Anodenelektrode
12 Kathode
12a Kathodenelektrode
13 Diaphragma
14 Bipolarblech
15 Anodenzellrahmen
16 Kathodenzellrahmen
17a, b Durchgang
18a, b Durchgang
19 Laugenkühler
20 Laugenkühler
21 Dichtungselement
22 Dichtungselement
24 Dichtungselement
30 Speisewasserfüllsystem
31 Wasservorratsbehälter
32 Speisewasserfüllleitung
33 Speisewasserfüllleitung
34 Speisewasserzulaufleitung
35 Speisewasserzulaufventil
36 Bedrückungsleitung
37 Bedrückungsventil
38 Belüftungsleitung
39 Belüftungsventil
41 Dichtungslippen
41 Dichtungslippen
44 Dichtungslippen
45 Dichtungsfläche
46 Dichtungsfläche
47 Dichtungsfläche
48 Dichtungsfläche

Claims

1. Druckelektrolyseur mit einem Druckbehälter (2) und einem eine Anzahl von in Form eines Stapels zusammengefassten Elektrolysezellen (4) enthaltenden, in dem Druckbehälter (2) angeordneten Elektrolysezellenblock (3), wobei die Elektrolysezellen (4) jeweilige Anoden (11) und Kathoden (12) enthalten und ein Laugenkreislaufsystem zur Zuführung eines Anolyten zu den Anoden (11) und zur Zuführung eines Katholyten zu den Kathoden (12) vorgesehen ist, und wobei der Elektrolysezellenblock (3) ein gegen das Innere des Druckbehälters (2) abdichtendes Gehäuse (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Elektrolysezellenblocks (3) zusammen mit dem Druckbehälter (2) mindestens zwei voneinander getrennte Räume (7, 8) bildet, welche Bestandteil des Laugenkreislaufsystems sind und die durch das Gehäuse (5) gegen die Elektrolysezellen (4) und durch den Druckbehälter (2) gegen die Umgebung begrenzt sind.

2. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der voneinander getrennten Räume (7) Bestandteil eines Anolytkreislaufs ist, und dass ein anderer der voneinander getrennten Räume (8) Bestandteil eines Katholytkreislaufs ist.

3. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander getrennten Räume (7, 8) durch Trennwände (9, 10) voneinander getrennt sind, die sich zwischen dem Gehäuse (5) und dem Druckbehälter (2) erstrecken.

4. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (2) die Form eines Zylinders hat, und dass der Elektrolysezellenblock (3) mit seiner Längsachse parallel zur Achse des Zylinders in dem Druckbehälter (2) angeordnet ist.

5. Druckelektrolyseur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (9, 10) sich parallel zur Achse des Zylinders zwischen dem Gehäuse (5) und dem Druckbehälter (2) erstrecken.

6. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Elektrolysezellenblocks (3) durch eine Anzahl von aufeinandergestapelten Zellrahmen (15, 16) der Elektrolysezellen (4) gebildet ist.

7. Druckelektrolyseur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils jede Anode (11) einen eigenen Anodenzellrahmen (15) und jeweils jede Kathode (12) einen eigenen Kathodenzellrahmen (16) hat, und dass die Anodenzellrahmen (15) eine Verbindung der Anoden (11) mit dem Raum (7), der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, herstellende Durchgänge (17a, b) aufweisen und die Kathodenzellrahmen (16) eine Verbindung der Kathoden (12) mit dem Raum (8), der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, herstellende Durchgänge (18a, b) aufweisen.

8. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolysezellenblock (3) mit seiner Längsrichtung im wesentlichen horizontal angeordnet ist, und dass der durch das Gehäuse (5) des Elektrolysezellenblocks (3) und den Druckbehälter (2) begrenzte Raum vertikal in Längsrichtung des Elektrolysezellenblocks (3) in die beiden voneinander getrennten Räume (7, 8) unterteilt ist.

9. Druckelektrolyseur nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Verbindung mit den Anoden (11) herstellenden Durchgänge (17a, b) jeweils an der Oberseite und an der Unterseite der Anodenzellrahmen (15) mit dem einen der voneinander getrennten Räume (7), der Bestandteil des Anolytkreislaufs ist, in Verbindung stehen, und dass die eine Verbindung mit den Kathoden (12) herstellenden Durchgänge (18a, b) jeweils an der Oberseite und an der Unterseite der Kathodenzellrahmen (16) mit dem anderen der voneinander getrennten Räume (8), der Bestandteil des Katholytkreislaufs ist, in Verbindung stehen.

10. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Druckbehälters (2) wesentliche Bestandteile des Laugenkreislaufsystems, insbesondere Gasabscheider und/oder Laugenkühler (19, 20) vorgesehen sind.

11. Druckelektrolyseur nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Trennwände (10) unterhalb des Elektrolysezellenblocks (3) angeordnet ist und gleichzeitig ein mechanisches Auflager für denselben bildet.

12. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden (11) und Kathoden (12) von einem entlang ihrem Umfang verlaufenden Dichtungselement (21, 22) umgeben sind, welches im Bereich der Anode (11) bzw. der Kathode (12) einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle (4) bildet und zwischen die Zellrahmen (15, 16) abdichtend eingefügt ist.

13. Druckelektrolyseur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (11) und die Kathode (12) einer Elektrolysezelle (4) jeweils getrennt von einem Dichtungselement (21 bzw. 22) umgeben sind.

14. Druckelektrolyseur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) von Anode (11) bzw. Kathode (12) gemeinsam zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zellrahmen (15, 16) abdichtend eingefügt sind.

15. Druckelektrolyseur nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) auch einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle (4) an einem zwischen der Anode (11) und der Kathode (12) angeordneten Diaphragma (13) bilden.

16. Druckelektrolyseur nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragma (13) zwischen dem Dichtungselement (21) der Anode (11) und dem Dichtungselement (22) der Kathode (12) abdichtend eingefügt ist.

17. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) am Umfang der Anode (11) und/oder der Kathode (12) rahmenförmig verlaufend angeordnet sind.

18. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) um den Rand von Anode (11) und/oder Kathode (12) von der Vorderseite zur Rückseite derselben herumgeführt ausgebildet sind.

19. Druckelektrolyseur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) mit einer oder mehreren entlang dem Umfang von Anode (11) bzw. Kathode (12) verlaufenden Dichtungslippen (41, 42) versehen sind, welche an einer Dichtungsfläche (45, 46) des Anodenzellrahmens (15) bzw. des Kathodenzellrahmens (16) abdichtend anliegen.

20. Druckelektrolyseur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungslippen (41, 42) in einer Richtung senkrecht zur Fläche von Anode (11) bzw. Kathode (12) vorspringen, und dass die Dichtungsflächen (45, 46) des Anodenzellrahmens (15) bzw. des Kathodenzellrahmens (16) parallel zur Fläche von Anode (11) bzw. Kathode (12) verlaufend ausgebildet sind.

21. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) aus einem elastomeren Material hergestellt sind.

22. Druckelektrolyseur nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungselemente (21, 22) durch Umspritzen des Randes von Anode (11) bzw. Kathode (12) mit dem elastomeren Material hergestellt sind.

23. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Elektrolysezellen (4) durch ein Bipolarblech (14) voneinander getrennt sind, welches von einem entlang seinem Umfang verlaufendem Dichtungselement (24) umgeben ist, das im Bereich des Bipolarblechs (14) einen seitlichen Abschluss der Elektrolysezelle (4) bildet und zwischen die Zellrahmen (15, 16) der benachbarten Elektrolysezellen (4) abdichtend eingefügt ist.

24. Druckelektrolyseur nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (4) am Umfang des Bipolarblechs (14) rahmenförmig verlaufend angeordnet ist.

25. Druckelektrolyseur nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (24) an einer Seite des Bipolarblechs (14) angeordnet ist.

26. Druckelektrolyseur nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (24) um den Rand des Bipolarblechs (14) von der Vorderseite zur Rückseite desselben herumgeführt ausgebildet ist.

27. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (24) mit einer oder mehreren entlang dem Umfang des Bipolarblechs (14) verlaufenden Dichtungslippen (44) versehen, welche an einer Dichtungsfläche (47) des Anodenzellrahmens (15) bzw. des Kathodenzellrahmens (16) oder an dem Bipolarblech (14) selbst abdichtend anliegen.

28. Druckelektrolyseur nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungslippen (44) in einer Richtung senkrecht zur Fläche des Bipolarblechs (14) vorspringen, und dass die Dichtungsfläche (46, 47) des Anodenzellrahmens (15) bzw. des Kathodenzellrahmens (16) parallel zur Fläche des Bipolarblechs (14) verlaufend ausgebildet ist.

29. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (24) aus einem elastomeren Material hergestellt ist.

30. Druckelektrolyseur nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (24) durch Umspritzen des Randes des Bipolarblechs (14) mit dem elastomeren Material hergestellt ist.

31. Druckelektrolyseur nach einem der Ansprüche 2 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasservorratsbehälter (31) vorgesehen ist, der über eine ein Speisewasserfüllventil (33) enthaltende Speisewasserfüllleitung (32) mit einer Speisewasserquelle und über eine ein Speisewasserzulaufventil (35) enthaltende Speisewasserzulaufleitung (34) mit einem unteren Bereich eines der getrennten Räume (7, 8) verbunden ist und der über eine ein Bedrückungsventil (37) enthaltende Bedrückungsleitung (36) mit einem oberen Bereich des einen der getrennten Räume (7, 8) verbunden ist, und der weiterhin über eine ein Belüftungsventil (39) enthaltende Belüftungsleitung (38) gegen die Umgebung entlüftbar ist, wobei der obere Bereich des einen der getrennten Räume (7, 8) beim Betrieb des Druckelektrolyseurs mit einem der Produktgase gefüllt ist.

32. Druckelektrolyseur nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der eine der getrennten Räume, mit dem der Wasservorratsbehälter (31) über die Speisewasserzulaufleitung (34) und über die Bedrückungsleitung (36) verbunden ist, der einen Bestandteil des Katholytkreislaufs bildende andere getrennte Raum (8) ist.

33. Verfahren zum Befüllen eines Druckelektrolyseurs nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) druckloses Befüllen des Wasservorratsbehälters (31) bei geöffnetem Belüftungsventil (39) und geschlossenem Bedrückungsventil (37) und geschlossenem Speisewasserzulaufventil (35) über die Speisewasserfüllleitung (32) mit geöffnetem Speisewasserfüllventil (33),

b) Schließen des Belüftungsventils (39) und des Speisewasserfüllventils (33),

c) Öffnen des Bedrückungsventils (37), um den Wasservorratsbehälter (31) über die Bedrückungsleitung (36) auf den im Druckbehälter (2) herrschenden Druck zu bringen,

d) Öffnen des Speisewasserzulaufventils (35), um Speisewasser aus dem Wasservorratsbehälter (31) in den Druckbehälter (29 zu dosieren,

e) Schließen des Speisewasserzulaufventils (35).

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Zudosieren des Speisewassers aus dem Wasservorratsbehälter (31) in den Druckbehälter (2) unter Schwerkraftwirkung erfolgt, wobei der Wasservorratsbehälter (31) räumlich oberhalb des Druckbehälters (2) angeordnet ist.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Zudosieren des Speisewassers aus dem Wasservorratsbehälter (31) in den Druckbehälter (2) mittels einer in der Speisewasserzulaufleitung (34) enthaltenen Speisewasserpumpe erfolgt.